畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于有限元分析的汽車轉(zhuǎn)向支持橋設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于有限元分析的汽車轉(zhuǎn)向支持橋設(shè)計(jì)</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要4</b></p><p>　　ABSTRACT5</p><p><b>　　第一章 緒論6</b></p><p&g

2、t;<b>　　1.1引言6</b></p><p>　　1.2轉(zhuǎn)向支持橋的定義7</p><p>　　1.3轉(zhuǎn)向支持橋的安裝形式7</p><p>　　1.4 轉(zhuǎn)向支持橋的結(jié)構(gòu)8</p><p>　　1.4.1 轉(zhuǎn)向支持橋的組成部分8</p><p>　　1.4.2 轉(zhuǎn)向支持橋的結(jié)

3、構(gòu)及其影響因素9</p><p>　　1.5轉(zhuǎn)向支持橋國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)10</p><p>　　1.6 本文的主要內(nèi)容12</p><p>　　第二章 轉(zhuǎn)向支持橋設(shè)計(jì)計(jì)算14</p><p>　　3.1前橋的結(jié)構(gòu)形式14</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)向支持橋主要零件尺寸的確定14</p>

4、<p>　　3.3 轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋前梁應(yīng)力計(jì)算16</p><p>　　3.2.1 在制動(dòng)情況下的前梁應(yīng)力計(jì)算16</p><p>　　3.2.2 在最大側(cè)向力（側(cè)滑）工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算17</p><p>　　3.4 轉(zhuǎn)向節(jié)在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力計(jì)算19</p><p>　　3.4.1 工況下的轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力計(jì)算

5、19</p><p>　　3.4.2 在汽車側(cè)滑工況下的轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力計(jì)算20</p><p>　　3.5 主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)襯套在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力計(jì)算20</p><p>　　3.5.1 在汽車制動(dòng)工況下的計(jì)算20</p><p>　　3.5.2 在汽車側(cè)滑工況下的計(jì)算22</p><p>　　3.6

6、推力軸承和止推墊片的計(jì)算23</p><p>　　3.6.1 推力軸承計(jì)算23</p><p>　　3.6.2 轉(zhuǎn)向節(jié)止推墊片的計(jì)算24</p><p>　　3.7輪胎的選取24</p><p>　　3.7.1 輪胎與車輪應(yīng)滿足的基本要求24</p><p>　　3.7.2 輪胎的分類24</p&

7、gt;<p>　　3.7.3 輪胎的特點(diǎn)與選用25</p><p>　　3.8轉(zhuǎn)向支持橋定位參數(shù)27</p><p>　　3.8.1 主銷后傾角29</p><p>　　3.8.2 主銷內(nèi)傾角30</p><p>　　3.8.3 車輪外傾角31</p><p>　　3.8.4 車輪前束32&l

8、t;/p><p>　　3.9 輪輞的尺寸計(jì)算33</p><p>　　第四章轉(zhuǎn)向支持橋關(guān)鍵零件的有限元分析及優(yōu)化35</p><p>　　4.1有限元法和ANSYS/WORKBENCH分析軟件35</p><p>　　4.1.1有限元法概述35</p><p>　　4.1.2ANSYS/WORKBENCH軟件介紹

9、36</p><p>　　4.2建立實(shí)體模型37</p><p>　　4.3材料屬性及單位制39</p><p>　　4.4單元選擇與網(wǎng)格劃分39</p><p>　　4.5邊界處理40</p><p>　　4.6運(yùn)算及結(jié)果分析43</p><p>　　4.7優(yōu)化分析47</

10、p><p>　　4.7.1優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型47</p><p>　　4.7.2優(yōu)化設(shè)計(jì)48</p><p><b>　　結(jié)論51</b></p><p><b>　　致謝52</b></p><p><b>　　摘要</b></p>&l

11、t;p>　　我國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，汽車使用越來越多，而當(dāng)前由于設(shè)計(jì)方案所限，不能精確地選擇零部件的尺寸和結(jié)構(gòu)，造成有的地方強(qiáng)度不夠，而有的地方強(qiáng)度又過剩，嚴(yán)重地影響了產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失。特別對(duì)于諸如轉(zhuǎn)向支持橋等部件,因不能準(zhǔn)確確定其失效原因和部位，造成不能從根本上解決其失效問題。不同類型的貨車在我國(guó)的市場(chǎng)中占有相當(dāng)大的比例，他們的性能的好、壞在一定程度上也影響著汽車在市場(chǎng)上的地位。針對(duì)以上問題，本設(shè)計(jì)選用汽車轉(zhuǎn)向

12、支持橋作為設(shè)計(jì)對(duì)象，通過有限元分析及合理的計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而達(dá)到汽車轉(zhuǎn)向支持橋具有較好的轉(zhuǎn)向靈敏性。</p><p>　　轉(zhuǎn)向支持橋是汽車底盤的重要總成，它直接與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架等相聯(lián)系，用來實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向、前輪定位和支撐作用。課題研究對(duì)象是后輪驅(qū)動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向支持橋，主要零件包括前梁、主銷、轉(zhuǎn)向節(jié)等，這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)向支持橋性能具有很大的影響。采用有限元技術(shù)研究這些關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)特性，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)

13、化設(shè)計(jì)，是非常重要和必須的。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行轉(zhuǎn)向支持橋設(shè)計(jì)不但可以獲得最佳的轉(zhuǎn)向支持橋基本參數(shù)，還可以大大縮短轉(zhuǎn)向支持橋總成開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證其設(shè)計(jì)的精確性。通過本課題的研究學(xué)生可以完成理論課程的實(shí)踐總結(jié)，掌握一種流行的設(shè)計(jì)方法和軟件，獲得一定的研究工作方法，提高科研工作素質(zhì)。本文主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下:</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)向支持橋主要零部件的設(shè)計(jì)；</p><

14、p>　?。?）主要零部件的有限元分析與優(yōu)化；</p><p>　?。?）主要零部件的設(shè)計(jì)修正；</p><p>　　（4）在CAE分析的基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)圖紙。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 有限元，汽車，轉(zhuǎn)向支持橋，轉(zhuǎn)向節(jié)，主銷</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p&

15、gt;<b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　我國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，汽車使用越來越多，而當(dāng)前由于設(shè)計(jì)方案所限，不能精確地選擇零部件的尺寸和結(jié)構(gòu)，造成有的地方強(qiáng)度不夠，而有的地方強(qiáng)度又過剩，嚴(yán)重地影響了產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計(jì)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失。特別對(duì)于諸如轉(zhuǎn)向支持橋等部件,因不能準(zhǔn)確確定其失

16、效原因和部位，造成不能從根本上解決其失效問題。不同類型的貨車在我國(guó)的市場(chǎng)中占有相當(dāng)大的比例，他們的性能的好、壞在一定程度上也影響著汽車在市場(chǎng)上的地位。針對(duì)以上問題，本設(shè)計(jì)選用汽車轉(zhuǎn)向支持橋作為設(shè)計(jì)對(duì)象，通過有限元分析及合理的計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而達(dá)到汽車轉(zhuǎn)向支持橋具有較好的轉(zhuǎn)向靈敏性。</p><p>　　前橋即非驅(qū)動(dòng)橋，又稱從動(dòng)車橋。它通過懸架與車架(或承載式車身)相聯(lián)，兩側(cè)安裝著從動(dòng)車輪，用以在車架(或承載式車身

17、)與車輪之間傳遞鉛垂力、縱向力和橫向力。前橋還要承受和傳遞制動(dòng)力矩。</p><p>　　根據(jù)從動(dòng)車輪能否轉(zhuǎn)向，前橋分為前橋與非前橋。一般汽車多以前橋?yàn)榍皹?。為提高操縱穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，有些轎車采用全四輪轉(zhuǎn)向。多軸汽車除前輪轉(zhuǎn)向外，根據(jù)對(duì)機(jī)動(dòng)性的要求，有時(shí)采用兩根以上的前橋直至全輪轉(zhuǎn)向。</p><p>　　一般載客汽車采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)后橋驅(qū)動(dòng)的布置形式，故其前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向前橋。轎車多采用前置發(fā)動(dòng)

18、機(jī)前橋驅(qū)動(dòng)，越野汽車均為全輪驅(qū)動(dòng)，故它們的前橋既是前橋又是驅(qū)動(dòng)橋，稱為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋。</p><p>　　前橋按與其匹配的懸架結(jié)構(gòu)的不同，也可分為非斷開式與斷開式兩種。與非獨(dú)立懸架相匹配的非斷開式前橋是一根支承于左、右從動(dòng)車輪上的剛性整體橫梁，當(dāng)又是前橋時(shí)，則其兩端經(jīng)轉(zhuǎn)向主銷與轉(zhuǎn)向支持橋相聯(lián)。斷開式前橋與獨(dú)立懸架相匹配。</p><p>　　非斷開式轉(zhuǎn)向前橋主要由前梁、轉(zhuǎn)向支持橋及轉(zhuǎn)向主銷組

19、成。轉(zhuǎn)向支持橋利用主銷與前梁鉸接并經(jīng)一對(duì)輪轂軸承支承著車輪的輪轂，以達(dá)到車輪轉(zhuǎn)向的目的。在左轉(zhuǎn)向支持橋的上耳處安裝著轉(zhuǎn)向支持橋臂，后者與轉(zhuǎn)向直拉桿相連；而在轉(zhuǎn)向支持橋的下耳處則裝著與轉(zhuǎn)向橫拉桿相連接的轉(zhuǎn)向梯形臂。有的將轉(zhuǎn)向支持橋臂與梯形臂連成一體并安裝在轉(zhuǎn)向支持橋的下耳處以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)向支持橋的銷孔內(nèi)壓入帶有潤(rùn)滑油槽的青銅襯套以減小磨損。為使轉(zhuǎn)向輕便，在轉(zhuǎn)向支持橋上耳與前梁拳部之間裝有調(diào)整墊片以調(diào)整其間隙。帶有螺紋的楔形鎖銷將主銷固定在

20、前梁拳部的孔內(nèi)，使之不能轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　前橋的功用：前橋也稱非驅(qū)動(dòng)橋，又稱從動(dòng)車軸。它通過懸架與車架（或承載式車身）相聯(lián)，兩端安裝從動(dòng)車輪，用以承受和傳遞車輪與車架之間的力（垂直力、縱向力、橫向力）和力矩，并保證轉(zhuǎn)向輪作正確的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖1.1 轉(zhuǎn)向支持橋</p><p>　　1.2轉(zhuǎn)向支持橋的定義</p><p

21、>　　轉(zhuǎn)向支持橋是汽車的重要組成部分，轉(zhuǎn)向支持橋是利用車橋中的轉(zhuǎn)向支持橋使車輪可以偏移一定角度，并承受地面與車架之間的力及力矩，以實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。</p><p>　　前橋通過懸架與車架(或承載式車身)相聯(lián)，兩側(cè)安裝著從動(dòng)午輪，用以在車架(或承載式車身)與車輪之間傳遞鉛垂力、縱向力和橫向力。前橋還要承受和傳遞制動(dòng)力矩。前橋按與其匹配的懸架結(jié)構(gòu)的不同，也可分為非斷開式與斷開式兩種。前橋按與之匹配的懸架結(jié)構(gòu)不同

22、可分為非斷開式與斷開式兩種。由于小型載客汽車要求價(jià)廉，所以多采用非斷開式前橋。非斷開式的前橋主要有前梁，轉(zhuǎn)向支持橋和轉(zhuǎn)向主銷組成。</p><p>　　1.3轉(zhuǎn)向支持橋的安裝形式</p><p>　　各種車型的轉(zhuǎn)向支持橋結(jié)構(gòu)基本相同，主要由前梁、轉(zhuǎn)向支持橋組成。一般載客汽車采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)后橋驅(qū)動(dòng)的布置形式，故其前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向從動(dòng)橋。轎車多采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)前橋驅(qū)動(dòng)，越野車均為全輪驅(qū)動(dòng)，故他們的前橋

23、既是轉(zhuǎn)向支持橋也是驅(qū)動(dòng)橋，稱為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋。</p><p>　　轉(zhuǎn)向支持橋按與其匹配的懸架結(jié)構(gòu)不用，又可分為非斷開式與斷開式兩種。與非獨(dú)立懸架匹配的非斷開式的轉(zhuǎn)向支持橋是一根支承于左、右從動(dòng)車輪上的剛性整體橫梁，當(dāng)又是轉(zhuǎn)向支持橋時(shí)，其兩端經(jīng)轉(zhuǎn)向主銷與轉(zhuǎn)向支持橋相連。斷開式轉(zhuǎn)向支持橋與獨(dú)立懸架相匹配。</p><p>　　1.4 轉(zhuǎn)向支持橋的結(jié)構(gòu)</p><p>　　

24、1.4.1 轉(zhuǎn)向支持橋的組成部分</p><p>　　各種車型的非斷開式轉(zhuǎn)向支持橋的結(jié)構(gòu)型式基本相同，它主要由前梁（由于汽車前橋?yàn)檗D(zhuǎn)向支持橋，因此其橫梁常稱前梁）、轉(zhuǎn)向支持橋、轉(zhuǎn)向主銷、轉(zhuǎn)向梯形臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿等組成。</p><p><b>　　1)前梁</b></p><p>　　前梁是非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋最主要的零件，由中碳鋼或中碳合金鋼模

25、鍛而成。其兩端各有一呈拳形的加粗部分作為安裝主銷前梁拳部。為提高其抗彎強(qiáng)度，其較長(zhǎng)的中間部分采用工字行斷面，并相對(duì)兩端向下偏移一定距離，以便降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置，從而降低汽車傳動(dòng)系的安裝高度并減小傳動(dòng)軸萬向節(jié)主、從動(dòng)軸的夾角；為提高前梁的抗扭強(qiáng)度，兩端與拳部相接的部分采用方形斷面，而靠近兩端使拳部與中間部分相連接的向下彎曲部分，則采用上述兩種斷面逐漸過度的形狀。中間部分的兩側(cè)還要鍛造出鋼板彈簧支座的加寬支承面。</p>

26、<p>　　非斷開式轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋的前梁亦可采用組合式結(jié)構(gòu)，即由無縫鋼管的中間部分和模鍛成型的兩端拳形部分組焊而成。這種組合式前梁適用于批量不大的生產(chǎn)，并可省去大型鍛造設(shè)備。</p><p><b>　　2)主銷</b></p><p>　　其結(jié)構(gòu)型式有幾種，如圖2-1所示，其中（a）、（b）兩種型式是最常見的結(jié)構(gòu)。</p><p>&

27、lt;b>　　3)轉(zhuǎn)向支持橋</b></p><p>　　多用中碳合金鋼斷模鍛成整體式結(jié)構(gòu)，有些大型汽車的轉(zhuǎn)向支持橋，由于其尺寸過大，也有采用組焊式結(jié)構(gòu)的，即其輪軸部分是經(jīng)壓配并焊上去的。</p><p>　　4)轉(zhuǎn)向支持橋臂、轉(zhuǎn)向梯形臂</p><p>　　由中碳鋼或中碳合金鋼如40、35Cr、40CrNi鋼等用模鍛加工制成。多采用沿其長(zhǎng)度變化尺

28、寸的橢圓形截面以合理地利用材料和提高其強(qiáng)度和剛度。</p><p><b>　　5)轉(zhuǎn)向橫拉桿</b></p><p>　　應(yīng)選用剛性好、質(zhì)量小的20鋼，30鋼或35鋼的無縫鋼管制造，其兩端的球形鉸接作為單獨(dú)組件，組裝好后以組件客體上的螺紋旋到桿的兩端端部，使橫拉桿的桿長(zhǎng)可調(diào)，以便用于調(diào)節(jié)前束。球形鉸接的球銷與襯墊均采用低碳合金鋼如12CrNi3A,20CrNi,20

29、CrMnTi,工作表面經(jīng)滲碳淬火，滲碳層深1.5～3.0mm，表面硬度56～63HRC。允許采用40或45中碳鋼制造并經(jīng)高頻淬火處理，球銷的過渡圓角處用滾壓工藝增強(qiáng)，球形鉸接的殼體用35鋼或40鋼制造。為了提高球頭和襯墊工作表面的耐磨性，可采用等離子或氣體等離子金屬噴鍍工藝；亦可采用耐磨性好的工程塑料制造襯墊。后者在制造過程中可滲入專門的成分（例如尼龍-二硫化鉬），對(duì)這類襯墊可免去潤(rùn)滑。</p><p>　　圖1

30、-1 主銷的結(jié)構(gòu)型式</p><p>　　(a)圓柱實(shí)心型；(b)圓柱空心型；</p><p>　　(b)(c)上、下端為直徑不等的圓柱、中間為錐體的主銷；(d)下部圓柱比上部細(xì)的主銷</p><p>　　6)轉(zhuǎn)向支持橋推理軸承</p><p>　　承受作用于汽車前梁上的重力。為減小摩擦使轉(zhuǎn)向輕便，可采用滾動(dòng)軸承，如推力球軸承、推力圓錐滾子軸

31、承等。也有采用青銅止推墊片的。</p><p><b>　　7)主銷上、下軸承</b></p><p>　　承受較大的徑向力，多采用滾動(dòng)軸承（即壓入轉(zhuǎn)向支持橋上、下中的襯套），也有采用滾針軸承的結(jié)構(gòu)。后者的效率較高，轉(zhuǎn)向阻力小，且可延長(zhǎng)使用壽命。</p><p><b>　　8)輪毅軸承</b></p>&l

32、t;p>　　多由兩個(gè)圓錐滾子軸承組對(duì)，這種軸承的支承剛度較大，可承受較大負(fù)荷。轎車因負(fù)荷較輕，前輪毅軸承也有采用也有采用一對(duì)單列或一個(gè)雙列向心軸承的，球軸承的效率高，能延長(zhǎng)汽車的滑行距離，有的轎車采用一個(gè)雙列圓錐滾子軸承。</p><p><b>　　9)左、右輪胎螺栓</b></p><p>　　多數(shù)為右旋螺紋，但有些汽車為了防松，左側(cè)用左旋，右側(cè)用右旋。&l

33、t;/p><p>　　1.4.2 轉(zhuǎn)向支持橋的結(jié)構(gòu)及其影響因素</p><p>　　非斷開式轉(zhuǎn)向支持橋主要由前梁、轉(zhuǎn)向支持橋及轉(zhuǎn)向主銷組成。轉(zhuǎn)向支持橋利用主銷與前梁鉸接并經(jīng)一對(duì)輪毅軸承支承著車輪的輪毅，以達(dá)到車輪轉(zhuǎn)向的目的。在左轉(zhuǎn)向支持橋的上耳處安裝著轉(zhuǎn)向梯形臂，后者與轉(zhuǎn)向直拉桿相連；而在左、右轉(zhuǎn)向支持橋的下耳處則裝有與轉(zhuǎn)向橫拉桿聯(lián)接的轉(zhuǎn)向梯形臂。有的將轉(zhuǎn)向支持橋臂與轉(zhuǎn)向梯形臂聯(lián)成一體并安裝

34、在轉(zhuǎn)向支持橋的下耳處以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。制動(dòng)底版緊固在轉(zhuǎn)向支持橋的凸緣面上。轉(zhuǎn)向支持橋的銷孔內(nèi)壓入帶有潤(rùn)滑槽的青銅襯套以減小磨損。為使轉(zhuǎn)向輕便，在轉(zhuǎn)向支持橋下耳與前梁拳部之間可裝滾子推力軸承，在轉(zhuǎn)向支持橋上耳與前梁拳部之間裝有調(diào)整墊片以調(diào)整其間隙。帶有羅紋的楔形鎖銷將主銷在前梁拳部的孔內(nèi)，使之不能轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　1.5轉(zhuǎn)向支持橋國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)</p><p>　　轉(zhuǎn)向支持橋是汽車

35、上的重要零件,它的主要功能是承載和轉(zhuǎn)向,即支撐車體重量,傳遞轉(zhuǎn)向力矩和承受前輪剎車制動(dòng)力矩等。因此,對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋的外形結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能有嚴(yán)格的要求。根據(jù)車型,轉(zhuǎn)向支持橋可分為重型汽車轉(zhuǎn)向支持橋、中型汽車轉(zhuǎn)向支持橋、輕型汽車轉(zhuǎn)向支持橋、微型汽車轉(zhuǎn)向支持橋、客車轉(zhuǎn)向支持橋和轎車轉(zhuǎn)向支持橋六大類;按所用的材料和制造方法分為鍛鋼轉(zhuǎn)向支持橋、鑄鋁轉(zhuǎn)向支持橋和鑄鐵轉(zhuǎn)向支持橋三種;按其形狀特征分為長(zhǎng)桿類轉(zhuǎn)向支持橋、中心孔類轉(zhuǎn)向支持橋和套管類轉(zhuǎn)向支持橋三

36、種,長(zhǎng)桿類轉(zhuǎn)向支持橋主要由桿部、法蘭和枝權(quán)構(gòu)成,一般多用于大中型汽車和大客車中;中心孔類轉(zhuǎn)向支持橋主要由基座、法蘭和枝權(quán)構(gòu)成,基座中心帶孔,一般多用于前橋驅(qū)動(dòng)的轎車當(dāng)中;套管類轉(zhuǎn)向支持橋主要由長(zhǎng)桿、套管和法蘭構(gòu)成。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)汽車轉(zhuǎn)向支持橋的研究主要有兩類。第一類研究主要是對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋的制造工藝和加工方法等方面進(jìn)行研究。早期生產(chǎn)轉(zhuǎn)向支持橋采用熱模鍛工藝,如李尊榮研究了重型汽車轉(zhuǎn)向支持橋熱模鍛工藝;羅晴嵐等[4]研究了熱模鍛生產(chǎn)線上轉(zhuǎn)

37、向支持橋的工藝特點(diǎn)和模鍛變形力等。之后,張運(yùn)軍、高占民等人[6]討論了汽車轉(zhuǎn)向支持橋及轉(zhuǎn)向支持橋臂的鍛造</p><p>　　第二類研究主要是對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋的強(qiáng)度、剛度、疲勞失效等方面進(jìn)行研究。馮美斌等人按照汽車行駛過程中的三種典型工況對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋進(jìn)行了受力分析,在此基礎(chǔ)上得出了轉(zhuǎn)向支持橋名義工作載荷的計(jì)算方法,介紹了電動(dòng)諧振式轉(zhuǎn)向支持橋疲勞試驗(yàn)裝置,并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定了EQ140-1汽車轉(zhuǎn)向支持橋以1護(hù)次為循環(huán)基準(zhǔn)的

38、疲勞極限,估算了其安全系數(shù)。劉惟信在汽車從動(dòng)橋設(shè)計(jì)中對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算中采用材料力學(xué)橫力彎曲計(jì)算正應(yīng)力的強(qiáng)度校核公式,計(jì)算結(jié)果滿足許用應(yīng)力值。馮大碧等人[20]對(duì)某型客車的左前輪轉(zhuǎn)向支持橋斷裂截面進(jìn)行金相檢驗(yàn)、掃描電鏡,認(rèn)為斷裂性質(zhì)為早期疲勞斷裂;吳海平等人通過對(duì)QT450-10型左轉(zhuǎn)向支持橋進(jìn)行化學(xué)分析、金相檢查和掃描電鏡下觀察,認(rèn)為組織中夾雜物的存在和外壁附近大量滲碳體的出現(xiàn)是造成轉(zhuǎn)向支持橋斷裂的主

39、要原因;董啟生等人[22]對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋的斷裂原因進(jìn)行了綜合全面的探討,在對(duì)其設(shè)計(jì)、加工、熱處理、檢驗(yàn)、裝配及使用等一般過程存在的失效因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,提出了改進(jìn)和預(yù)防的措施。</p><p>　　此外,文獻(xiàn)[23-24]習(xí)對(duì)汽車轉(zhuǎn)向支持橋臂斷裂的原因進(jìn)行了研究,通過金相檢查和掃描電鏡對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)臂的斷裂截面進(jìn)行宏、微觀組織分析,認(rèn)為斷裂性質(zhì)為疲勞斷裂。近些年來,有限元分析軟件的大量應(yīng)用為分析轉(zhuǎn)向支持橋提供了有力的

40、工具。文獻(xiàn)[26-28]利用有限元分析軟件對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋進(jìn)行了強(qiáng)度分析,計(jì)算了三種典型工況下轉(zhuǎn)向支持橋的應(yīng)力值和應(yīng)力分布,得到了轉(zhuǎn)向支持橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。郭彬彩、韓國(guó)立等人[29一3-]對(duì)某重型汽車(斯太爾)轉(zhuǎn)向支持橋進(jìn)行了研究,其中,郭彬彩[29]利用solidworks建立了轉(zhuǎn)向支持橋?qū)嶓w模型,通過接口導(dǎo)入ANSYS中計(jì)算了典型工況的靜強(qiáng)度;韓國(guó)立等將三維軟件建立的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS后,應(yīng)用蒙特卡洛法分析

41、了轉(zhuǎn)向支持橋的可靠性;此外,毛向陽(yáng)[32]也研究了該類斯太爾轉(zhuǎn)向支持橋,將ProE建立的轉(zhuǎn)向支持橋?qū)階NSYS進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算,并對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋進(jìn)行了模態(tài)分析。江迎春[33-35]利用多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS計(jì)算了轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)中的各種載荷值,并在NASTRAN和ANSYS中利用這些載荷值對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算及疲勞壽命分析,提出了解決轉(zhuǎn)向支持橋疲</p><p>　　有限元應(yīng)力分析,在此基礎(chǔ)上考慮零件材料疲勞特性、平

42、均應(yīng)力等影響因素,使用MSC.Fatigue軟件對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋和轉(zhuǎn)向支持橋臂進(jìn)行疲勞仿真,估算了疲勞壽命,并提出了改進(jìn)疲勞強(qiáng)度措施,如改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)以減少應(yīng)力集中、降低表面粗糙度、進(jìn)行表面強(qiáng)化處理等,最后通過疲勞仿真對(duì)改進(jìn)措施的效果進(jìn)行了比較分析。PeterJ丑eyes[40]同樣在Msc.Fatigue軟件平臺(tái)上對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋進(jìn)行了疲勞仿真。Mehrdadzoroufi以不同加工方法對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋性能影響為主要研究?jī)?nèi)容,研究了鍛鋼、鑄鐵、鑄鋁

43、三種材質(zhì)的轉(zhuǎn)向支持橋在加工方法、制造工藝、靜強(qiáng)度和疲勞壽命等方面的差異,以試驗(yàn)臺(tái)架為基礎(chǔ)對(duì)各類轉(zhuǎn)向支持橋進(jìn)行疲勞試驗(yàn),認(rèn)為鍛鋼轉(zhuǎn)向支持橋性能較好,并對(duì)鍛鋼轉(zhuǎn)向支持橋以減輕重量、減少加工成本為目標(biāo)進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化。Robertod.Ippolit等人基于可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,建立了長(zhǎng)桿類轉(zhuǎn)向支持橋的有限元分析模型,在有限元分析的基礎(chǔ)上對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋的疲勞壽命進(jìn)行了研究。此外,文獻(xiàn)[44-45]也研究了轉(zhuǎn)向支持橋的疲勞特性,分析了失效原因。<

44、;/p><p>　　從以上的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看,汽車轉(zhuǎn)向支持橋研究有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì):</p><p>　　(1)制造加工方法方面。轉(zhuǎn)向支持橋的制造加工由普通的模鍛、錘鍛等鍛造工藝向擠壓工藝發(fā)展,并采用數(shù)值方法模擬工藝過程來預(yù)測(cè)制造過程的缺陷等;除此之外,一些先進(jìn)制造技術(shù)和其他新方法也開始應(yīng)用于轉(zhuǎn)向支持橋的制造加工。</p><p>　　(2)強(qiáng)度、使用壽命等方面。大量

45、文獻(xiàn)研究了轉(zhuǎn)向支持橋強(qiáng)度失效的原因分析,通過對(duì)失效件化學(xué)分析、金相檢查等,認(rèn)為轉(zhuǎn)向支持橋強(qiáng)度失效原因?yàn)槠跀嗔阉?因此,對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)強(qiáng)度的研究從靜態(tài)應(yīng)力、滿足靜強(qiáng)度要求向動(dòng)態(tài)特性、滿足疲勞強(qiáng)度等方向發(fā)展。</p><p>　　(3)研究分析的方法方面。轉(zhuǎn)向支持橋的分析計(jì)算從傳統(tǒng)材料力學(xué)梁彎曲理論的近似計(jì)算向有限元法等數(shù)值計(jì)算方法發(fā)展,疲勞強(qiáng)度的研究也向有限元疲勞仿真等方向發(fā)展,這些數(shù)值方法的應(yīng)用大大提高了分析計(jì)算的

46、精度。</p><p>　　(4)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面。從現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料看,轉(zhuǎn)向支持橋優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究主要在制造方法的改進(jìn)方面,對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究非常少,主要原因是轉(zhuǎn)向支持橋類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的難度較大。近幾年來,國(guó)外已呈現(xiàn)出對(duì)轉(zhuǎn)向支持橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究興趣,因此,該領(lǐng)域的研究將成為轉(zhuǎn)向支持橋研究的又一重要領(lǐng)域和趨勢(shì)。</p><p>　　1.6 本文的主要內(nèi)容</p&

47、gt;<p>　　轉(zhuǎn)向支持橋是汽車底盤的重要總成，它直接與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架等相聯(lián)系，用來實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向、前輪定位和支撐作用。課題研究對(duì)象是后輪驅(qū)動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向支持橋，主要零件包括前梁、主銷、轉(zhuǎn)向支持橋等，這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)轉(zhuǎn)向支持橋性能具有很大的影響。采用有限元技術(shù)研究這些關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)特性，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是非常重要和必須的。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行轉(zhuǎn)向支持橋設(shè)計(jì)不但可以獲得最佳的轉(zhuǎn)向支持橋基本參數(shù)，還可以大大縮

48、短轉(zhuǎn)向支持橋總成開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證其設(shè)計(jì)的精確性。通過本課題的研究學(xué)生可以完成理論課程的實(shí)踐總結(jié)，掌握一種流行的設(shè)計(jì)方法和軟件，獲得一定的研究工作方法，提高科研工作素質(zhì)。本文主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容如下:</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)向支持橋主要零部件的設(shè)計(jì)；</p><p>　?。?）主要零部件的有限元分析與優(yōu)化；</p><p>　　（3）主要零部

49、件的設(shè)計(jì)修正；</p><p>　?。?）在CAE分析的基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)圖紙。</p><p>　　第二章 轉(zhuǎn)向支持橋設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p>　　3.1前橋的結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　本前橋采用非斷開式轉(zhuǎn)向前橋。</p><p>　　（1）前橋結(jié)構(gòu)形式：無縫鋼管的中間部分和模鍛成型的兩端拳形部分組焊而成前橋加叉形轉(zhuǎn)

50、向節(jié)主銷。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)向節(jié)結(jié)構(gòu)型式：整體鍛造式。</p><p>　?。?）主銷結(jié)構(gòu)型式：圓柱實(shí)心主銷。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承結(jié)構(gòu)形式：滾動(dòng)軸承(調(diào)心球軸承)。</p><p>　?。?）主銷軸承結(jié)構(gòu)形式：滾針軸承</p><p>　　（6）輪轂軸承結(jié)構(gòu)形式：?jiǎn)瘟邢蛐那蜉S承<

51、/p><p>　　（7）輪胎螺栓：左側(cè)左旋，右側(cè)右旋</p><p>　　16噸專用載貨汽車參數(shù):</p><p>　　整車總質(zhì)量：16000Kg；整車4×2，后橋驅(qū)動(dòng)；軸荷空載：3460/2200；軸荷滿載：6000/10000。發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：Temax=650Nm/1400；前后輪距：1914/1860；輪胎規(guī)格：9.00R20；</p>

52、<p>　　總布置整車參數(shù)見表2-1：</p><p><b>　　表2-1</b></p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)向支持橋主要零件尺寸的確定</p><p>　　轉(zhuǎn)向支持橋采用工子形斷面的前梁，可保證其質(zhì)量最小而在垂向平面內(nèi)的剛度大、強(qiáng)度高。工字形斷面尺寸值見圖3-1，圖中虛線繪出的是其當(dāng)量斷面。該斷面的垂向彎曲截面系數(shù)Wv和水平

53、彎曲截面系數(shù)Wh可近似取為</p><p>　　Wv=20a3=20×303=54×104 mm3 (3-1)</p><p>　　Wh=5.5a3 =5.5×27000=148.5×103 mm3 (3-2)</p><p&g

54、t;　　式中：a——工字形斷面的中部尺寸，見圖3-1</p><p>　　在設(shè)計(jì)中為了預(yù)選前梁在板簧座處的彎曲截面系數(shù)Wv,可采用經(jīng)統(tǒng)計(jì)取得的經(jīng)驗(yàn)公式：Wv=ml/2200=6000×60/2200=163.6 cm3 (3-3)</p><p>　　式中：m——作用于該前梁上的簧上質(zhì)量，kg;</p><p>　　l——車輪中

55、線至板簧座中線間的距離，cm;</p><p>　　2200——系數(shù)，kg·cm-2。</p><p>　　轉(zhuǎn)向支持橋前梁拳部之高度約等于前梁工字形斷面的高度，而主銷直徑可取為拳部高度的0.35～0.45倍。主銷上、下滾動(dòng)軸承（即壓入轉(zhuǎn)向節(jié)上、下孔中的襯套）的長(zhǎng)度則取為主銷直徑的1.25～1.50倍。</p><p>　　圖3-1 前梁工字形斷面尺寸關(guān)系的

56、推薦值</p><p>　　轉(zhuǎn)向支持橋主要零件工作應(yīng)力的計(jì)算</p><p>　　本設(shè)計(jì)對(duì)象為前述參數(shù)的貨車，其有關(guān)參數(shù)為：</p><p>　　前軸軸荷：6000kg；</p><p>　　整車質(zhì)心高度：840mm；</p><p>　　滾動(dòng)半徑：508mm。</p><p>　　主要是計(jì)算前

57、梁、轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷、主銷上下軸承（即轉(zhuǎn)向節(jié)襯套）、轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承或止推墊片等在制動(dòng)和側(cè)滑兩種工況下的工作應(yīng)力。繪制計(jì)算用簡(jiǎn)圖時(shí)可忽略車輪的定位角，即認(rèn)為主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角及車輪外傾角均為零，而左、右轉(zhuǎn)向節(jié)軸線重合且與主銷軸線位于同一側(cè)向垂直平面內(nèi)，如圖（3-2）所示[3]。</p><p>　　圖3-2 轉(zhuǎn)向支持橋在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的受力分析簡(jiǎn)圖</p><p>　?。╝）制動(dòng)工況下的彎

58、矩圖和轉(zhuǎn)矩圖；（b）側(cè)滑工況下的彎矩圖</p><p>　　3.3 轉(zhuǎn)向從動(dòng)橋前梁應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　3.2.1 在制動(dòng)情況下的前梁應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　制動(dòng)時(shí)前輪承受的制動(dòng)力Pr和垂向力Z1傳給前梁，使前梁承受轉(zhuǎn)矩和彎矩。考慮到制動(dòng)時(shí)汽車質(zhì)量向前轉(zhuǎn)向橋的轉(zhuǎn)移，則前輪所承受的地面垂向反力為</p><p>　　Z1=G1

59、/2=60000×1.5/2=45000N (3-4)</p><p>　　式中：G1——汽車滿載靜止于水平路面時(shí)前橋給地面的載荷；</p><p>　　——汽車制動(dòng)時(shí)對(duì)前橋的質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，對(duì)前橋和載貨汽車的前橋可取1.4~1.7。</p><p>　　前輪所承受的制動(dòng)力為</p><p>　　

60、Pr=Z1 =45000×1.0=45000N (3-5)</p><p>　　式中：——輪胎與路面的附著系數(shù)。</p><p>　　由Z1和Pr對(duì)前梁引起的垂向彎矩Mv和水平方向彎矩Mh在兩鋼板彈簧座之間達(dá)最大值，分別為</p><p>　　Mv=（Z1-gw）l2===15.5×106 Nmm<

61、/p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　Mh=Prl2= Z1=45000×1.0×=16.06×106 Nmm (3-7)</p><p>　　式中：l2——為輪胎中線至板簧座中線間的距離，mm;</p><p>　　gw——車輪（包括輪毅、制動(dòng)器等）

62、的重力，N；</p><p>　　B——前輪輪距，mm；</p><p>　　S——前輪上兩板簧座中線間的距離，mm。</p><p>　　制動(dòng)力Pr還使前梁在主銷孔至鋼板彈簧座之間承受轉(zhuǎn)矩T:</p><p>　　T=Prrr=45000×509=22.9×106 Nmm (3-8)&l

63、t;/p><p>　　式中：rr——輪胎的滾動(dòng)半徑。</p><p>　　圖3-2給出了前梁在汽車制動(dòng)工況下的彎矩圖及轉(zhuǎn)矩圖。</p><p>　　前梁在鋼板彈簧座附近危險(xiǎn)斷面處的彎曲應(yīng)力w和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（單位均為MPa）分別為</p><p>　　w===136.8MPa (3-9)</p><p>　

64、　===152.9MPa (3-10)</p><p>　　式中：WT——前梁在危險(xiǎn)斷面處的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，mm;</p><p>　　——前梁橫斷面的最大厚度，mm;150</p><p>　　Jk——前梁橫截面的極慣性矩，對(duì)工字形斷面：</p><p>　　Jk=0.43 mm4</p>&

65、lt;p>　　h——工字形斷面矩形元素的長(zhǎng)邊長(zhǎng)，mm;130</p><p>　　——工字形斷面矩形元素的短邊長(zhǎng)，mm,120</p><p>　　前梁應(yīng)力的許用值為[w]=340MPa；[]=180MPa。</p><p>　　前梁可采用45,30Cr,40Cr等中碳鋼或中碳合金鋼制造，硬度為241～285HB。</p><p>　　

66、3.2.2 在最大側(cè)向力（側(cè)滑）工況下的前梁應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　當(dāng)汽車承受大側(cè)向力時(shí)無縱向力作用，左、右前輪承受的地面垂向反力Z1L,Z1R和側(cè)向反力Y1L、Y1R各不相等，則可推出前輪的地面反力（單位均為N）分別為</p><p>　　==56332.2N (3-11)</p><p>　　==3667.7 N

67、(3-12)</p><p>　　==56332.2N (3-13)</p><p>　　==3667.7 N (3-14)</p><p>　　式中：G1——汽車停于水平路面時(shí)的前橋軸荷，N；</p><p>　　B1——汽車前輪輪距，mm;</p><p>　　hg——汽車質(zhì)心高

68、度，mm;</p><p>　　1——輪胎與路面的側(cè)面附著系數(shù)。取1=1.0。</p><p>　　側(cè)滑時(shí)左、右鋼板彈簧對(duì)前梁的垂向作用力（N）為</p><p>　　T1l=0.5G1’+G11(hg-rr’)/s=0.5×60000+60000×1.0（840-509）/1200=46550N (3-15)</p><p

69、>　　T1R=0.5G1’-G11(hg-rr’)/s=0.5×60000-60000×1.0（840-509）/1200=13450N (3-16)</p><p>　　式中：G1’——汽車滿載時(shí)車廂分配給前橋的垂向總載荷，N；</p><p>　　rr’——板簧座上表面的離地高度，mm；</p><p>　　S——兩板簧座中心間的距

70、離，mm。</p><p>　　汽車側(cè)滑時(shí)左、右前輪輪轂內(nèi)、外軸承的徑向力（單位為N）分別為</p><p>　　S1L===640615N (3-17)</p><p>　　S2L===693017N (3-18)</p><p>　　S1R===45121N (3-19)</p><p>

71、　　S2R===41709N (3-20)</p><p>　　式中：rr——輪胎的滾動(dòng)半徑，mm;</p><p>　　a——S1L、S1R至車輪中線的距離，mm;</p><p>　　b——S2L、S2R至車輪中線的距離，mm。</p><p>　　求得Z1L，Z1R，Y1L，Y1R即可求得左、右前輪輪轂內(nèi)軸承對(duì)輪毅的徑

72、向支承S1L、S1R和外軸承對(duì)輪毅的徑向支承力S2L、S2R，這樣就求出了輪毅軸承對(duì)軸輪的徑向支承反力。根據(jù)這些力及前梁在鋼板彈簧座處的垂向力T1L,T1R,可繪出前梁與輪軸在汽車側(cè)滑時(shí)的垂向受力彎矩圖（見圖3-3）。由彎矩圖可見，前梁的最大彎發(fā)生在汽車側(cè)滑方向一側(cè)的主銷孔處（Ⅰ—Ⅰ剖面處）；而另一側(cè)則在鋼板彈簧座處（Ⅱ—Ⅱ剖面處），可由下式直接求出：</p><p>　　MⅠ—Ⅰ= Y1Lrr -Z1Ll1=5

73、6332.2×509-56332.2×185=18.2×106 Nmm (3-21)</p><p>　　MⅡ—Ⅱ=Z1Rl2+Y1Rrr=3667.7×324+3667.7×509=30.5×105 Nmm (3-22)</p><p>　　式中：M——彎矩，Nmm;</p><

74、p>　　Z1L, Z1R——左、右前輪承受地面的垂向反力，N；</p><p>　　Y1L，Y1R——左、右前輪承受地面的側(cè)向反力，N。</p><p>　　3.4 轉(zhuǎn)向節(jié)在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　如下圖所示，轉(zhuǎn)向節(jié)的危險(xiǎn)斷面處于軸徑為d1的輪軸根部，即Ⅲ—Ⅲ剖面處。</p><p>　　圖3-3 轉(zhuǎn)向節(jié)、主銷及

75、轉(zhuǎn)向襯套的計(jì)算用圖</p><p>　　3.4.1 工況下的轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　轉(zhuǎn)向節(jié)在Ⅲ—Ⅲ剖面處的軸徑僅受垂向彎矩Mv和水平方向的彎矩Mh而不受轉(zhuǎn)矩，因制動(dòng)力矩不經(jīng)轉(zhuǎn)向節(jié)的輪軸傳遞，而直接由制動(dòng)底板傳給在轉(zhuǎn)向節(jié)上的安裝平面。這時(shí)可按計(jì)算其Mv及Mh，但需以I3代替兩式中的I2，即gw</p><p>　　Mv=(Z1-)l3 =（60000-1

76、500）×150=8.77×106 Nmm (3-23)</p><p>　　Mh= Z1l3=m1’l3=60000×1.0×150=9×106 Nmm (3-24)</p><p>　　式中：Z1——前輪所承受的地面垂向反力，N；</p><p>　　——輪胎與路面的附著系數(shù)；</

77、p><p>　　l3——輪胎中心線至Ⅲ—Ⅲ剖面間的距離150。</p><p>　　Ⅲ—Ⅲ剖面處的合成彎曲應(yīng)力為</p><p>　　== =56.8 MPa (3-25)</p><p>　　式中：d1——轉(zhuǎn)向節(jié)輪軸根部軸徑mm。</p><p>　　轉(zhuǎn)向節(jié)采用30Cr,40Cr等中碳合金鋼制造，心部硬度241～28

78、5HB，高頻淬火后表面硬度57～65HRC，硬化層深1.5～2.0mm。輪軸根部的圓角滾壓處理。</p><p>　　3.4.2 在汽車側(cè)滑工況下的轉(zhuǎn)向節(jié)應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　在汽車側(cè)滑時(shí)，左、右轉(zhuǎn)向節(jié)在危險(xiǎn)斷面Ⅲ—Ⅲ處的彎矩是不等的，可按下公式求得：</p><p>　　MLⅢ—Ⅲ= Y1lrr- Z1Ll3 =56332.2×509-5633

79、2.2×150=20.2×106 Nmm (3-26)</p><p>　　MRⅢ—Ⅲ=Z1Rl3+Y1Rrr=3667.7×150+3667.7×509=2.42×106 Nmm (3-27)</p><p>　　左、右轉(zhuǎn)向節(jié)在危險(xiǎn)斷面處的彎曲應(yīng)力為</p><p>　　==394.5 MPa (

80、3-28)</p><p>　　==47.3MPa (3-29)</p><p>　　3.5 主銷與轉(zhuǎn)向節(jié)襯套在制動(dòng)和側(cè)滑工況下的應(yīng)力計(jì)算</p><p>　　在制動(dòng)和側(cè)滑工況下，在轉(zhuǎn)向節(jié)上、下襯套的中點(diǎn)，即與輪軸中心線相距分別為c,d的兩點(diǎn)處，在側(cè)向平面和縱向平面內(nèi)，對(duì)主銷作用有垂直其軸線方向的力。</p><p>　　3.

81、5.1 在汽車制動(dòng)工況下的計(jì)算</p><p>　　地面對(duì)前輪的垂向支承反力Z1所引起的力矩Z1l1,由位于通過主軸線的側(cè)平面內(nèi)并在轉(zhuǎn)向節(jié)上、下襯套中點(diǎn)處垂直地作用于主銷的力QMZ所形成的力偶QMZ（c+d）所平衡，故有</p><p>　　QMZ===1110 N (3-30)</p><p>　　制動(dòng)力矩Prrr由位于縱向平

82、面內(nèi)并作用于主銷的力Qmr所形成的力偶Qmr（c+d）所平衡，故有</p><p>　　Qmr=Prrr/（c+d）=Z1rrr/ (c+d) =60000×1.0×509/（100+100）=0.3×104N (3-31)</p><p>　　而作用于主銷的制動(dòng)力Pr則由在轉(zhuǎn)向節(jié)上、下襯套中點(diǎn)出作用的主銷的力Qru、Qrl所平衡，且有</p>

83、<p>　　Qru===30000 N (3-32)</p><p>　　Qrl===30000 N (3-33)</p><p>　　由轉(zhuǎn)向橋的俯視圖可知，制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)向橫拉桿的作用力N為</p><p>　　N===55500 N (3-34)

84、</p><p>　　力N位于側(cè)向平面內(nèi)且與輪軸中心線的垂直距離為l4，如將N的著力點(diǎn)移至主銷中心線與輪軸中心線交點(diǎn)處，則需對(duì)主銷作用一側(cè)向力矩Nl。力矩Nl4，由位于側(cè)向平面內(nèi)并作用于主銷的力偶QMN（c+d）所平衡，故有</p><p>　　QMN===27750 N (3-35)</p><p>　　而力N則在轉(zhuǎn)向節(jié)上、下襯套中點(diǎn)

85、處作用于主銷的力QNu,QNl所平衡，且有</p><p>　　QNu===27750 N (3-36)</p><p>　　QNl===27750 N (3-37)</p><p>　　由圖3-3可知，在轉(zhuǎn)向節(jié)上襯套的中點(diǎn)作用于主銷的合力Qu和在下襯套的中點(diǎn)作用于主銷的合力Ql分別為</p>

86、<p><b>　　Qu= =</b></p><p>　　=2.7×104 N (3-38)</p><p><b>　　Ql== </b></p><p>　　=6.55×104 N (

87、3-39)</p><p>　　由上兩式可見，在汽車制動(dòng)工況下，主銷的最大載荷發(fā)生在轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套的中點(diǎn)處，其值計(jì)算所得到的Ql。</p><p>　　3.5.2 在汽車側(cè)滑工況下的計(jì)算</p><p>　　僅有在側(cè)向平面內(nèi)起作用的力和力矩，且作用于左、右轉(zhuǎn)向節(jié)主銷的力QMZ是不相等的，他們分別按下式求得：</p><p><b>

88、　　QMZL=</b></p><p>　　=11.3×104 N (3-40)</p><p><b>　　QMZR=</b></p><p>　　=5.9×103 N (3-41)</p>

89、<p>　　式中：Z1L，Z1R——汽車左、右前輪承受的地面垂向反作用力，N；</p><p>　　l1——輪胎中心線至主銷軸線的距離 mm;</p><p>　　rr——輪胎的滾動(dòng)半徑 mm;</p><p>　　Y1L，Y1R——左、右前輪承受地面的側(cè)向反力，N；</p><p>　　G1——汽車靜止于水平路面時(shí)的前橋的軸荷，N

90、；</p><p>　　hg——汽車質(zhì)心高度，mm;</p><p>　　B1——汽車前輪輪距，mm;</p><p>　　——輪胎與路面的側(cè)向附著系數(shù)，計(jì)算時(shí)可取=1.0.</p><p>　　取Ql, QMZL, QMZR中最大的作為主銷的計(jì)算載荷Qj,計(jì)算主銷在前梁拳部下端處的彎曲力w和剪應(yīng)切力s</p><p>

91、;　　w===131.8 MPa (3-42)</p><p>　　s===29.4 MPa (3-43)</p><p>　　式中:d0——主銷直徑 mm;</p><p>　　h——轉(zhuǎn)向節(jié)下襯套中點(diǎn)至前梁拳部下端面的距離,mm。</p><p>　　主銷的許用

92、應(yīng)力彎曲力[w]=413MPa;許用剪切應(yīng)力[s]=66MPa。</p><p>　　主銷采用20Cr,20CrNi,20CrMnTi等低碳合金鋼制造，滲碳淬火，滲碳層深1.0～1.5mm,56～62HRC。</p><p>　　轉(zhuǎn)向襯套的擠壓應(yīng)力c為</p><p>　　c===6.7 MPa (3-44)</p

93、><p>　　式中: l——襯套長(zhǎng),mm;</p><p>　　Qj——j計(jì)算載荷,取Ql,QMZL,QMZR,中最大值,N;</p><p>　　——主銷直徑,mm。</p><p>　　轉(zhuǎn)向節(jié)襯套的許用擠壓應(yīng)力為[c]=50MPa。</p><p>　　在靜載荷下，上式的計(jì)算載荷取</p><p&g

94、t;　　Qj=QMZ=Z1l1/(c+d)==27750 N (3-45)</p><p>　　3.6 推力軸承和止推墊片的計(jì)算</p><p>　　3.6.1 推力軸承計(jì)算</p><p>　　對(duì)轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承，文獻(xiàn)推薦取汽車以等速va=40km/h、沿半徑R=50m或以va=20km/h,沿半徑R=12m的圓周行使的工況作為計(jì)算工

95、況。如果汽車向右轉(zhuǎn)彎則其前外輪即前左輪的地面垂向反力Z1L增大。</p><p>　　汽車前橋的側(cè)滑條件為</p><p>　　P1=m1≥Y1L+Y1R=G11=m1g1=6000×10×1.0=60000N (3-46)</p><p>　　式中：P1——前橋所受的側(cè)向力，N；</p><p>　　m1—

96、—汽車滿載時(shí)的整車質(zhì)量分配給前橋的部分；</p><p>　　R——汽車轉(zhuǎn)彎半徑，mm;</p><p>　　va——汽車行使速度，mm/s;</p><p>　　g——重力加速度，mm/s2；</p><p>　　Y1L、Y1R——地面給左、右前輪的側(cè)向反作用力，N；</p><p>　　1——輪胎與地面的側(cè)向附著系

97、數(shù)；</p><p>　　G1——汽車滿載靜止于水平路面時(shí)前橋給地面的載荷，N。</p><p><b>　　由上式可得</b></p><p>　　1= (3-47)</p><p>　　Z1L= (3-48

98、)</p><p>　　將上述計(jì)算工況的va、R等的有關(guān)數(shù)據(jù)代入(3-44), (3-45)式，并hg/B=0.5, 則有</p><p>　　Z1L=1.25G1/2=0.625G1</p><p>　　可近似地認(rèn)為推力軸承的軸向載荷F，等于上述前輪的地面垂向反力，即有</p><p>　　Fa=0.6256G1=0.625×60

99、000=37500 N (3-49)</p><p>　　鑒于轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承在工作中的相對(duì)轉(zhuǎn)角不大的及軸承滾道圈破壞帶來的危險(xiǎn)性，軸承的選擇按其靜承載容量C0進(jìn)行，且取當(dāng)量靜載荷P0為：</p><p>　　P0=（0.5～0.33）C0</p><p>　　3.6.2 轉(zhuǎn)向節(jié)止推墊片的計(jì)算</p><p&g

100、t;　　當(dāng)采用青銅止推墊片代替轉(zhuǎn)向節(jié)推力軸承時(shí)，在汽車滿載情況下，止推墊片的靜載荷可取為</p><p>　　Fa===30000 N (3-50)</p><p>　　這時(shí)止推墊片的擠壓力為</p><p>　　c==4.5 MPa (3-51)</p><

101、p>　　式中：d；D——止推墊片的內(nèi)、外徑。</p><p>　　通常取[c]≤30MPa</p><p><b>　　3.7輪胎的選取</b></p><p>　　3.7.1 輪胎與車輪應(yīng)滿足的基本要求</p><p>　　輪胎即車輪用來支撐汽車，承受汽車重力，在車橋(軸)與地面之間傳力，駕駛?cè)藛T經(jīng)操縱轉(zhuǎn)向輪可實(shí)

102、現(xiàn)對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)方向的控制。</p><p>　　輪胎及車輪對(duì)汽車有許多重要性能，包括動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、通過性、操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性及行駛安全性和汽車運(yùn)動(dòng)方向的控制。</p><p>　　輪胎及車輪部件應(yīng)滿足下屬基本要求：足夠的負(fù)荷能力和速度能力；較小的滾動(dòng)阻力和行駛噪聲；良好的均與性和質(zhì)量平衡性；耐磨損、耐老化、抗扎刺和良好的氣密性；質(zhì)量小、價(jià)格低、拆裝方便、互換性好。</p>&

103、lt;p>　　3.7.2 輪胎的分類</p><p>　　輪胎可以按胎體結(jié)構(gòu)、簾線材料、用途、胎面花紋、斷面形狀、氣密方式不同等進(jìn)行分類如下：</p><p>　　3.7.3 輪胎的特點(diǎn)與選用</p><p>　　子午線輪胎的特點(diǎn)是滾動(dòng)阻力小、溫升低、胎體緩沖性能和路面附著性能都比斜交輪胎要好，裝車后油耗低、耐磨損壽命長(zhǎng)、高速性能好（圖 4-1），因此，適應(yīng)現(xiàn)

104、代汽車對(duì)安全、高速、低油耗的發(fā)展要求，是汽車設(shè)計(jì)時(shí)首選的輪胎。子午線輪胎也有制造困難、造價(jià)不如斜交輪胎低和不易翻修等特點(diǎn)。</p><p><b>　　圖3-8</b></p><p>　　常在高速條件下行駛的汽車，適合選用強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好的鋼絲簾線輪胎。鋼絲簾線僅能做子午線輪胎。相對(duì)汽車常在低速條件下行駛時(shí)，可以選用尼龍、聚酯、人造絲等人造材料做簾線制造的輪胎。斜交

105、輪胎多用上述材料制造。</p><p>　　低斷面輪胎的胎面寬平、側(cè)面剛性大、附著能力強(qiáng)、散熱良好、高速行駛穩(wěn)定性好。</p><p>　　無內(nèi)胎輪胎的平衡性良好、發(fā)熱少、刺扎后不易快速失氣、高速行駛安全性能良好。</p><p>　　乘用輪胎既是子午線結(jié)構(gòu)，又是低斷面、無內(nèi)胎輪胎并具備它們的各自優(yōu)點(diǎn)。商用輪胎尺寸大、胎體厚、簾線層級(jí)多、承載能力強(qiáng)。非公路用輪胎附著

106、性好，胎面耐刺扎，適用于在惡劣條件下使用，用于公路行駛時(shí)耗油量增加，噪聲大。</p><p>　　輪胎的胎面花紋對(duì)滾動(dòng)阻力、附著能力、耐磨性及噪聲有影響。公路花紋輪胎滾動(dòng)阻力小、噪聲小，適用在鋪裝路面上使用。其中，縱向花紋輪胎適用于良好路面，橫向花紋輪胎適用于土石路面。越野花紋輪胎附著性能良好，適用于在壞路面或無路地帶使用。混合花紋輪胎適用于使用路面條件變化不定的場(chǎng)合。圖4-2為幾種典型胎面花紋示例。</p

107、><p><b>　　圖 3-9</b></p><p>　　隨輪胎氣壓的增加，其承載能力也越強(qiáng)；但輪胎的附著能力下降，振動(dòng)頻率增加，乘坐舒適性和安全性變壞，對(duì)路面及汽車也有不良作用。標(biāo)注輪胎不僅對(duì)外形尺寸，而且對(duì)使用氣壓也有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。為了使用安全和滿足舒適性要求，乘用車輪胎的使用氣壓不應(yīng)高于所選輪胎規(guī)定符合下限氣壓的80%；而商用車輪胎的使用氣壓可接近選定輪胎層級(jí)所限定

108、的氣壓?？紤]到操縱穩(wěn)定性的需求，前輪輪胎氣壓應(yīng)低于后輪的輪胎氣壓。</p><p>　　簾線層級(jí)越高，輪胎的承載能力也越強(qiáng)，并有與輪胎氣壓增加相似的缺點(diǎn)。汽車行駛速度也影響輪胎負(fù)荷能力，車速高輪胎的發(fā)熱量增加。溫度升高，易使胎面與輪胎簾線層脫落。這不僅使輪胎壽命降低，也會(huì)引發(fā)交通事故。子午線、無內(nèi)胎、低斷面的輪胎工作時(shí)發(fā)熱少、導(dǎo)熱好、散熱迅速。因而溫度低，有良好的速度特性。選取時(shí)，應(yīng)使選用輪胎的速度級(jí)別所限定的最

109、高使用速度大于所設(shè)計(jì)汽車的最高車速。為了滿足不同乘用車對(duì)輪胎速度能力的需求，將輪胎的速度能力分級(jí)，譬如在70210km/h之間，按每10km/h分為一級(jí)；具有更高速度能力的輪胎，用來分級(jí)的速度更大些。輪胎是專業(yè)化生產(chǎn)廠制造，并具有高度的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化特點(diǎn)。輪胎的外直徑、斷面寬、斷面高寬比、配用輪輞名義直徑、輪輞輪廓形式及規(guī)格、胎面花紋形式及深度、額定負(fù)荷下的半徑等尺寸特性和負(fù)荷指數(shù)可查GB/T2977-1997、GB/T2978-199

110、7、GB/T9743-1997、GB9744-1997等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　3.8轉(zhuǎn)向支持橋定位參數(shù)</p><p>　　為了保持汽車直線行駛的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)向輕便性及汽車轉(zhuǎn)向后使前輪具有自動(dòng)回正的性能，轉(zhuǎn)向支持橋的主銷在汽車的縱向和橫向平面內(nèi)部有一定傾角。在縱向平面內(nèi)，主銷上部向后傾斜一個(gè)角，稱為主銷后傾角。在橫向平面內(nèi)主銷上部相內(nèi)傾斜一個(gè)β角，稱為主銷內(nèi)傾角。</p>

111、;<p>　　主銷后傾使主銷軸與路面的交點(diǎn)位于輪胎接地中心之前，該距離稱為后傾拖距。當(dāng)直線行駛的汽車的轉(zhuǎn)向輪偶然受到外力作用而稍有偏移時(shí)，汽車就偏離直線行使而有轉(zhuǎn)向，這時(shí)引起的離心力使路面、對(duì)車輪作用著一阻礙其側(cè)滑的側(cè)向反力，使車輪產(chǎn)生主銷旋轉(zhuǎn)的回正力矩，從而保證了汽車具有較好的直線行使穩(wěn)定性。此力矩稱為穩(wěn)定力矩。穩(wěn)定力矩也不宜過大，否則在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)為了克服此穩(wěn)定力矩需在轉(zhuǎn)向盤施加更大的力，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向沉重。主銷后傾角通常在3

112、0以內(nèi)?，F(xiàn)在轎車采用低壓寬斷面斜交輪胎，具有較大的彈性回轉(zhuǎn)力矩，故主銷后傾角就可以減小到接近于零，甚至為負(fù)值。但在采用子午線輪胎時(shí)，由于輪胎的拖距較小，則需選用較大的主銷后傾角。</p><p>　　主銷內(nèi)傾也是為了保證汽車直線行駛的穩(wěn)定性并使轉(zhuǎn)向輕便。主銷內(nèi)傾使主銷軸線與路面的交點(diǎn)至車輪中心平面的距離即主銷偏移距減小，從而可減小轉(zhuǎn)向時(shí)需加在轉(zhuǎn)向盤上的力，使轉(zhuǎn)向輕便，同時(shí)也可減小轉(zhuǎn)向輪傳到轉(zhuǎn)向盤上的沖擊力。主銷內(nèi)

113、傾使前輪轉(zhuǎn)向是不僅有繞主銷的轉(zhuǎn)動(dòng)，而且伴隨有車輪軸及前橫梁向上的移動(dòng)，而當(dāng)松開轉(zhuǎn)向盤是，所儲(chǔ)存的上升位能使轉(zhuǎn)向輪自動(dòng)回正，保證汽車作直線行使。主銷內(nèi)傾角一般為50～80；注銷偏移距一般為30～40mm。輕型客車、輕型客車及裝有動(dòng)力轉(zhuǎn)向的汽車可選擇較大的主銷內(nèi)傾角及后傾角，以提高其轉(zhuǎn)向車輪的自動(dòng)回正性能。但主銷內(nèi)傾角也大，即主銷偏移距不宜過小，否則在轉(zhuǎn)向過程中車輪繞主銷偏移時(shí)，隨著滾動(dòng)將伴隨著沿路面的滾動(dòng)，從而增加輪胎與路面的摩擦阻力，使

114、轉(zhuǎn)向變得很沉重。為了克服因左、右前輪制動(dòng)力不等而導(dǎo)致汽車制動(dòng)時(shí)跑偏，近年來出現(xiàn)了主銷偏移距為負(fù)值的汽車。</p><p>　　前輪定位除上述主銷后傾角，主銷內(nèi)傾角外，還有車輪外傾角及前束，共四項(xiàng)參數(shù)。</p><p>　　圖3-10轉(zhuǎn)向支持橋</p><p>　　1.轉(zhuǎn)向推力軸承；2轉(zhuǎn)向節(jié)；調(diào)整墊片；4.主銷；5前梁</p><p>　　車前